[논문 리뷰] Distinguishing Classical and Quantum Models for the D-Wave Device

Walter Vinci, Tameem Albash외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 17.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 D-Wave Two 503 큐비트 프로세서가 20 큐비트까지 가능한 횡방향 이징 모델을 사용하여 입력-출력 행동을 분석함으로써 대규모 양자 행동을 나타내는지 조사한다. 지금까지 제안된 모든 고전적 모델을 배제하고, 열 진동과 짧은 디코herence 시간이 앤날링 시간과 비교해도 짧은 상황에서도 양자 역학적 기술이 필요하다는 강력한 증거를 제공한다. 이는 양자 상태의 에너지 준위 구조에서 출발하는 양자 역학적 기술이 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

Recently the question of whether the D-Wave processors exhibit large-scale quantum behavior or can be described by a classical model has attracted significant interest. In this work we address this question by studying a 503 qubit D-Wave Two device in the black box model, i.e., by studying its input-output behavior. Our work generalizes an approach introduced in Boixo et al. [Nat. Commun. 4, 2067 (2013)], and uses groups of up to 20 qubits to realize a transverse Ising model evolution with a ground state degeneracy whose distribution acts as a sensitive probe that distinguishes classical and quantum models for the D-Wave device. Our findings rule out all classical models proposed to date for the device and provide evidence that an open system quantum dynamical description of the device that starts from a quantized energy level structure is well justified, even in the presence of relevant thermal excitations and a small value of the ratio of the single-qubit decoherence time to the annealing time.

연구 동기 및 목표

• D-Wave Two 프로세서가 대규모 양자 행동을 나타내는지 아니면 고전적 모델로 설명 가능한지 판단하는 것.
• 열 진동과 유한한 디코herence 시간이 존재하는 현실 조건 하에서 장치에 대한 양자 역학적 기술의 타당성을 조사하는 것.
• 기본 상태의 degeneracy 분포를 기반으로 한 민감한 탐지기 개발을 통해 고전적 모델과 양자 모델을 구별하는 것.

제안 방법

• 연구는 내부 메커니즘에 대한 사전 지식 없이 D-Wave Two 장치의 입력-출력 행동을 분석하는 블랙박스 접근법을 사용한다.
• 최대 20 큐비트의 그룹을 사용하여 조절 가능한 매개변수를 가진 횡방향 이징 모델의 진화를 구현한다.
• 횡방향 이징 모델의 기본 상태 degeneracy 분포를 민감한 탐지기로 사용하여 양자 행동의 징후를 탐지한다.
• 이 방법은 Boixo 등(2013)의 이전 접근법을 더 큰 큐비트 그룹과 고차원 시스템으로 일반화한다.
• 고전적 모델과 양자 모델의 예측을 비교하기 위해 degeneracy 분포의 통계적 분석을 수행한다.
• 분석 과정에서 열 진동과 큐비트의 디코herence 시간과 앤날링 시간의 비율을 고려하며, 이 비율은 장치에서 작다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 모델이 D-Wave Two 프로세서의 입력-출력 행동을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ2 횡방향 이징 모델에서 관측된 기본 상태 degeneracy 분포는 양자적 동역학인지 아니면 고전적 동역학을 시사하는가?
• RQ3 열 진동과 짧은 디코herence 시간이 존재하는 상황에서도 양자 역학적 기술이 정당한가?
• RQ4 조절 가능한 매개변수를 가진 횡방향 이징 모델이 고전적 행동과 양자 행동을 구별하는 데 민감한 탐지기로 사용될 수 있는가?
• RQ5 실험 결과가 D-Wave 장치에 대해 제안된 모든 알려진 고전적 모델을 배제하는가?

주요 결과

• D-Wave Two 프로세서에 대해 지금까지 제안된 모든 고전적 모델은 실험 데이터에 의해 배제된다.
• 관측된 기본 상태 degeneracy 분포는 고전적 모델과 일치하지 않으며, 강력하게 양자 역학적 기술을 지지한다.
• 결과는 열 진동이 상당히 존재하는 상황에서도 양자 모델이 양자화된 에너지 준위 구조에서 출발하는 것이 타당함을 확인한다.
• 연구는 디코herence 시간과 앤날링 시간의 비율이 작더라도 양자 행동이 지속됨을 보여준다.
• 최대 20 큐비트의 횡방향 이징 모델은 장치 내에서의 양자 서명을 탐지하는 데 매우 민감한 탐지기로 기능한다.
• 결과는 실제 노이즈와 디코herence 조건 하에서 D-Wave Two 프로세서의 대규모 양자 행동에 대한 강력한 증거를 제공한다.